چرا اتم ها تمایل دارند با یکدیگر پیوند شیمیایی تشکیل دهند

آخرین به روز رسانی: 10 فوریه 1401 زمان مطالعه: 6 دقیقه

پیوندهای شیمیایی اتم ها را به طور موقت یا دائم در کنار هم نگه می دارند. شناخته شده ترین انواع این پیوندها کووالانسی، یونی و هیدروژنی هستند که در این مقاله به معرفی هر یک از آنها می پردازیم.

فهرست مطالب این نوشته

معرفی

موجودات زنده در طبیعت از اتم ها تشکیل شده اند. در واقع نحوه قرار گرفتن اتم ها در کنار یکدیگر است که منجر به ایجاد ساختارهای مختلف می شود. اتم های یک مولکول به گونه ای شناور می شوند که بتوانند با اتم های مولکول های اطراف برهم کنش کنند. این رابطه به نوع پیوند بین اتم های یک مولکول بستگی دارد. چرا پیوندهای شیمیایی وجود دارد؟ پیوندهای مختلف در یک اتم دارای انرژی های متفاوتی هستند. از سوی دیگر، اتم های یک ماده همیشه سعی می کنند به پایین ترین سطح انرژی خود برسند. بنابراین، اتم ها در یک واکنش شیمیایی با به دست آوردن یا از دست دادن الکترون، سطح انرژی خود را تغییر داده و پیوندهای جدیدی ایجاد می کنند.

لازم به ذکر است فایل PDF برگه تقلب اوراق شیمیایی به صورت جداگانه نیز قابل دانلود و مطالعه می باشد. این شیت شامل تعریف پیوندهای شیمیایی مانند پیوندهای یونی و کووالانسی است. علاوه بر این، نیروهای بین مولکولی و پیوندهای هیدروژنی و فلزی به طور کامل بررسی شده است.

پیوند یونی و یونی

برخی از اتم ها با به دست آوردن یا از دست دادن یک الکترون کامل، پایدارتر می شوند. هنگامی که الکترون های یک اتم تغییر می کنند، اتم ها بار الکتریکی یا “یون” می شوند. اتم ها از پوسته هایی تشکیل شده اند که تعدادی الکترون در آن قرار گرفته اند. نمودار زیر اتم کربن و الکترون های مرتبط با آن را نشان می دهد.

تشکیل یون

یون ها به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند. “کاتیون ها” یون هایی هستند که با از دست دادن یک الکترون بار مثبت می یابند. برای مثال، فرض کنید اتم سدیم (Na) با از دست دادن یک الکترون به Na+ تبدیل شود. از سوی دیگر، برخی از اتم ها با گرفتن الکترون منفی می شوند که آنیون نامیده می شود. به عنوان مثال، اتم کلر (Cl) با گرفتن الکترون منفی می شود و به -Cl تبدیل می شود. توجه داشته باشید که پسوند -ide برای نام گذاری آنیون ها استفاده می شود. به عنوان مثال، -Cl را کلرید می نامند. هنگام تشکیل یک پیوند یونی، یکی از اتم ها یک الکترون از دست می دهد و دیگری یک الکترون به دست می آورد. این فرآیند انتقال الکترون نامیده می شود. انتقال الکترون بین اتم های کلر و سدیم که منجر به تولید کلرید سدیم (نمک) می شود، یکی از نمونه های معروف انتقال الکترون است. اتم سدیم (Na) تنها یک الکترون در لایه بیرونی خود دارد. بنابراین، به جای به دست آوردن چندین الکترون، بهتر است این اتم یک الکترون را از دست بدهد. بنابراین در نهایت اتم Na یک الکترون از دست می دهد و Na+ مثبت می شود.

اتم کلر (Cl) دارای 7 الکترون در آخرین لایه خود است. بنابراین، برای آن اتم به‌جای از دست دادن آن الکترون‌ها و پایدار شدن، آسان‌تر است که یک الکترون به دست آورد. بنابراین اتم کلر با گرفتن الکترون پایدار می شود و به کلرید (-Cl) تبدیل می شود. شکل زیر فرآیند انتقال الکترون بین اتم های سدیم و کلر را نشان می دهد.

یک پیوند یونی ایجاد کنید

پیوند ایجاد شده بین یون های بارهای مخالف را پیوند یونی می گویند. به عنوان مثال، بین یون های +Na و -Cl یک پیوند یونی ایجاد می شود که منجر به تولید نمک (NaCl) می شود. مانند نمک، بیشتر پیوندهای یونی بین اتم ها به صورت سه بعدی و به شکل کریستال سازماندهی شده اند. حالت کریستالی نمک در شکل زیر نشان داده شده است.

یون های مورد مطالعه در فیزیولوژی “الکترولیت” نامیده می شوند. شناخته شده ترین الکترولیت ها سدیم، پتاسیم و کلسیم هستند.

یک پیوند کووالانسی

اتم ها به جای از دست دادن یا به دست آوردن یک الکترون کامل، با اشتراک الکترون ها پایدارتر می شوند. وقتی دو اتم الکترون ها را به اشتراک می گذارند، یک پیوند کووالانسی بین آنها ایجاد می شود. در مولکول هایی که موجودات زنده را تشکیل می دهند، پیوندهای کووالانسی بیشتر از پیوندهای یونی هستند. در واقع بخش مهمی از بدن ما از پیوندهای کووالانسی تشکیل شده است!

ساختار پایه ترکیبات آلی حاوی کربن، DNA و پروتئین نیز با استفاده از پیوندهای کووالانسی ایجاد می شود. همچنین بسیاری از ترکیبات معدنی مانند H2O، CO2 و O2 با استفاده از پیوندهای کووالانسی ایجاد شدند. یک پیوند کووالانسی می تواند از اشتراک دو یا سه جفت الکترون ایجاد شود. بنابراین پیوند کووالانسی می تواند دو یا سه برابر باشد. هر چه تعداد الکترون های مشترک بیشتر باشد، پیوند قوی تر تشکیل می شود.

برای توضیح پیوند کووالانسی، مولکول آب را در نظر بگیرید. یک مولکول آب (H2O) از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. هر اتم هیدروژن دارای یک الکترون با یک اتم اکسیژن است. همچنین اتم اکسیژن از یکی از الکترون های خود برای اشتراک گذاری استفاده می کند. در شکل زیر مفهوم اشتراک الکترون در مولکول آب نشان داده شده است.

توجه داشته باشید که الکترون مشترک بخشی از زمان در آخرین لایه اتم هیدروژن و بخشی دیگر در آخرین لایه اتم اکسیژن است.

پیوند کووالانسی قطبی

پیوندهای کووالانسی به دو دسته اصلی قطبی و غیرقطبی تقسیم می شوند. در یک پیوند قطبی، الکترون ها در طول زمان به طور مساوی بین اتم ها تقسیم نمی شوند. در واقع، الکترون های مشترک زمان بیشتری را در یک اتم و زمان کمتری را در اتم دیگر می گذرانند. با توجه به این عدم تقارن، در این مولکول ها بار جزئی مثبت (δ+) را به یک اتم و بار جزئی منفی (δ-) را به اتم دیگر اختصاص می دهیم.

در یک مولکول آب، پیوند بین اکسیژن و هر یک از دو اتم هیدروژن قطبی است. به دلیل الکترونگاتیوی اکسیژن (تمایل بیشتر به جذب الکترون)، این اتم نسبت به اتم هیدروژن، الکترون های مشترک بیشتری را جذب می کند. بنابراین در مولکول آب، اکسیژن دارای بار جزئی منفی و هیدروژن دارای بار جزئی مثبت است. بارهای جزئی هر اتم در شکل زیر نشان داده شده است.

به طور کلی، درجه الکترونگاتیوی اتم ها در یک مولکول، قطبیت یا عدم قطبیت پیوند را تعیین می کند.

پیوند کووالانسی غیر قطبی

پیوند غیرقطبی بین همان اتم ها یا اتم هایی که تمایل یکسانی برای جذب الکترون دارند تشکیل می شود – این مفهوم الکترونگاتیو است. برای مثال، مولکول O2 از دو اتم مشابه تشکیل شده است. بنابراین، زمان اشتراک الکترون بین دو اتم یکسان است و پیوند کووالانسی ایجاد شده نیز غیر قطبی است. شکل زیر وضعیت دو اتم اکسیژن را قبل و بعد از پیوند نشان می دهد.

مثال دیگری از پیوند غیرقطبی پیوند بین اتم های کربن و هیدروژن در مولکول CH4 (متان) است. اتم کربن در آخرین پوسته خود 4 الکترون دارد. در نتیجه، این اتم برای رسیدن به حالت پایدار به چهار الکترون اضافی نیاز دارد. بنابراین، 4 الکترون با 4 اتم هیدروژن مشترک است. از سوی دیگر، الکترونگاتیوی اتم های هیدروژن و کربن به یکدیگر نزدیک هستند. در نتیجه، چهار پیوند ایجاد شده غیرقطبی هستند. شکل زیر پیوندهای کووالانسی قطبی و غیر قطبی را در مولکول های H2O و CH4 نشان می دهد.

پیوندهای هیدروژنی و نیروی پراکندگی لندن

نیروی ناشی از پیوندهای یونی و کووالانسی نیروی قوی محسوب می شود. در همین حال، لینک هایی نیز وجود دارند که نسبتا ضعیف تر هستند. دو نمونه معروف از پیوندهای ضعیف که عمدتاً در زیست شناسی دیده می شوند پیوند هیدروژنی و نیروی پراکندگی لندن هستند.

بدون این دو نیرو، زندگی به شکلی که امروز می شناسیم وجود نداشت! این نیروها بیشتر خواص مولکول های آب، DNA و پروتئین ها را تشکیل می دهند. همانطور که می دانید عناصر ذکر شده بخش عمده ای از سلول های موجودات زنده را تشکیل می دهند.

پیوند‌های هیدروژنی ایجاد شده در مولکو‌ل DNA

پیوند هیدروژنی

در بیشتر پیوندهای کووالانسی قطبی که در آنها هیدروژن وجود دارد، الکترون مشترک معمولاً به اتم دیگر جذب می شود و اتم هیدروژن دارای بار مثبت جزئی است. در این حالت، اگر یک اتم با بار منفی در نزدیکی هیدروژن قرار گیرد، پیوند هیدروژنی بین اتم با بار منفی جزئی و اتم هیدروژن تشکیل می شود. پیوند هیدروژنی در طبیعت بسیار رایج است. به عنوان مثال، آب بسیاری از این پیوندها را ایجاد می کند. شکل زیر پیوند هیدروژنی ایجاد شده در مولکول آب را نشان می دهد.

نیروی پراکندگی لندن

مانند پیوندهای هیدروژنی، نیروهای پراکندگی لاندن پیوندهای ضعیفی بین مولکول ها هستند. برخلاف پیوند هیدروژنی، این نیرو می تواند بین انواع مختلف اتم ها یا مولکول ها ایجاد شود. این نیرو حاصل توزیع نامتقارن لحظه ای الکترون ها در دو اتم است.

اما نیروی پراکندگی لندن چگونه ایجاد می شود؟ از آنجایی که الکترون ها با سرعت ثابتی حرکت می کنند، وقتی توده ای از الکترون ها در یک جهت حرکت می کنند، یک بار منفی جزئی در یک طرف و یک بار مثبت جزئی در طرف دیگر مولکول ایجاد می شود. این مولکول می تواند توزیع مولکول دیگری را مختل کند و در آن یک بار مثبت و منفی جزئی ایجاد کند. در نهایت یک پیوند ضعیف و موقت بین دو مولکول ایجاد می شود که همان نیروی پراکندگی لندن است. شکل زیر پیوند لندن ایجاد شده در نتیجه یک بار نامتقارن لحظه ای را نشان می دهد.

پیوندهای لندن و هیدروژنی پیوندهای واندروالسی محسوب می شوند. پیوندهای واندروالس در واقع نیروهای بین مولکولی هستند. بنابراین پیوندهای کووالانسی و یونی از نوع واندروالسی محسوب نمی شوند. توجه داشته باشید که در برخی از متون علمی، نیروی لاندن باند واندروالس نامیده می شود.

مطلب پیشنهادی:
پیوند واندروالسی چیست ؟ – توضیح به زبان ساده
شروع مطالعه

اگر به موضوعات مرتبط در رشته فیزیک و شیمی علاقه دارید، دوره های زیر نیز ارائه می شود:

^^

منابع:

وبلاگ فرادرس
Khanacademy

مجید عوض زاده (+)

«مجید عوض‌زاده»، فارغ‌ التحصیل مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک از دانشگاه تهران است. فیزیک، ریاضیات و مهندسی مکانیک از جمله مباحث مورد علاقه او هستند که در رابطه با آن‌ها تولید محتوا می‌کند.

مطالب مرتبط

برچسب‌ها

آخرین به‌روزرسانی:
۱۴ آذر ۱۴۰۱

زمان مطالعه:
۴۲ دقیقه

اتم ها کوچک ترین و اساسی ترین ذرات ماده هستند. برای درک بهتر این مفهوم، به میزان غذای روزانه خود توجه کنید. این غذای پخته از مواد مختلفی مانند نمک، برنج، گوشت و ادویه تشکیل شده است. مواد مختلف مانند غذا از اتم های متفاوتی تشکیل شده اند. در طول سال ها، 118 عنصر کشف شده است. این عناصر در جدولی به نام جدول تناوبی نمایش داده می شوند. تمام اجسامی که در اطراف خود می بینیم از اتم تشکیل شده اند. اما تک اتم بسیار کوچک است و با چشم غیر مسلح دیده نمی شود. در این مقاله سعی داریم به این سوال که اتم چیست به زبان ساده پاسخ دهیم و در مورد مدل های مختلف اتمی، ساختار اتم، ذرات درون اتمی و هر آنچه در آنجا گزارش می شود صحبت کنیم.

فهرست مطالب این نوشته

اتم چیست؟

اتم کوچکترین واحد تشکیل دهنده ماده است و ویژگی های آن ماده را دارد. اتم ها بسیار کوچک هستند. ماده چیزی است که می توان آن را به صورت فیزیکی لمس کرد. همه چیز در جهان (به جز انرژی) از ماده و در نتیجه از اتم ساخته شده است. اتم ها به طور مستقل وجود ندارند، اما برای تشکیل مولکول ها و یون ها متحد می شوند. این مولکول‌ها و یون‌های تشکیل‌شده با هم ترکیب می‌شوند و موادی را تشکیل می‌دهند که در زندگی روزمره‌مان می‌بینیم و لمس می‌کنیم.

مولکول ها و اتم ها

اتم ها آنقدر کوچک هستند که نمی توانید آنها را ببینید. از این رو برای درک ساختار و رفتار آنها آزمایشات مختلفی با تعداد زیادی اتم طراحی و انجام شد. با استفاده از نتایج به دست آمده از این آزمایش ها، دانشمندان در تلاش هستند تا بهترین مدل را برای اتم به دست آورند. این مدل به دست آمده باید بسیار نزدیک به مدل اتم ها در دنیای واقعی باشد.

گفتیم که اتم ها به طور مستقل در جهان وجود ندارند و با کنار هم قرار گرفتن و کنار هم قرار گرفتن ساختارهای مختلفی را تشکیل می دهند. در ساده ترین حالت، مولکول تشکیل می شود. آیا می دانید مولکول چیست؟ مولکول ها از دو یا چند اتم تشکیل شده اند که با پیوندهای شیمیایی به هم متصل شده اند. اتم ها را می توان با استفاده از دایره ها توصیف کرد. در مرکز این دایره هسته قرار دارد. هسته از ذراتی به نام پروتون و نوترون تشکیل شده است.

تعریف اتم در شیمی چیست؟

اتم کوچکترین ذره تشکیل دهنده یک عنصر است که ممکن است به طور مستقل وجود داشته باشد یا نباشد، اما همچنان در واکنش های شیمیایی دخالت دارد. اتم به عنوان کوچکترین واحد تشکیل دهنده یک عنصر با خواص مشابه تعریف می شود. اتم ها همچنین از ذرات زیر اتمی تشکیل شده اند که نمی توانند ایجاد یا نابود شوند. اتم های یک عنصر خاص یکسان هستند و عناصر مختلف اتم های متفاوتی دارند. برای مثال عنصر کربن را در نظر بگیرید. این عنصر از اتم های کربن تشکیل شده است و همه آنها یکسان هستند. حال دو عنصر نیتروژن و کربن را در نظر بگیرید. هر یک از دو عنصر نیتروژن و کربن به ترتیب از اتم های نیتروژن و کربن تشکیل شده اند، اما اتم های تشکیل دهنده هر یک از این دو عنصر با یکدیگر متفاوت هستند.

یک واکنش شیمیایی زمانی رخ می دهد که اتم ها در یک عنصر بازآرایی می شوند. اتم ها از سه نوع ذره بنیادی تشکیل شده اند:

وزن نوترون ها و پروتون ها تقریباً مشابه هستند، اما وزن الکترون را می توان در مقایسه با وزن این دو ذره نادیده گرفت. بار الکتریکی پروتون مثبت، بار الکتریکی الکترون منفی و بار الکتریکی نوترون خنثی است. در یک اتم تعداد الکترون ها و پروتون ها با یکدیگر برابر است و بنابراین به طور کلی اتم از نظر الکتریکی خنثی است. گفتیم اگر اتم را دایره کوچکی در نظر بگیریم، هسته در مرکز آن قرار می گیرد. هسته یک اتم از پروتون و نوترون تشکیل شده است. در نتیجه بار الکتریکی آن مثبت خواهد بود. الکترون ها ناحیه ای از فضای اطراف هسته را اشغال می کنند. بنابراین، بیشتر جرم اتم در داخل هسته متمرکز است.

مرکز اتم را هسته می نامند. وزن اتم تقریباً برابر با وزن هسته است زیرا جرم الکترون های اطراف هسته را می توان در مقایسه با جرم هسته نادیده گرفت. نوترون از نظر بار الکتریکی خنثی است و جرم آن برابر با یک واحد است. علاوه بر این، پروتون دارای بار الکتریکی مثبت است و جرم آن مانند نوترون برابر با یک واحد است. در ادامه عدد اتمی و عدد جرمی را تعریف می کنیم.

عدد اتمی و عدد جرمی چیست؟

عدد اتمی (Z) یک عنصر با تعداد پروتون های موجود در آن تعیین می شود. با استفاده از عدد اتمی می توان یک عنصر را از عنصر دیگر تشخیص داد. عدد جرمی (A) یک عنصر به عنوان تعداد پروتون ها و نوترون هایی که آن عنصر را تشکیل می دهند تعریف می شود. مجموع عدد جرمی و عدد اتمی یک اتم برابر است با تعداد کل ذرات زیراتمی داخل آن اتم. عدد جرمی جرم هسته اتم را بر حسب واحد جرم اتمی (Amu) مشخص می کند.

در جدول تناوبی عناصر به گونه ای چیده شده اند که عدد اتمی و عدد جرمی آنها افزایش می یابد. برای درک بهتر مفاهیم عدد اتمی و عدد جرمی باید به ساختار اتم توجه کنیم. در مطالب بالا گفتیم که اتم از سه ذره اساسی تشکیل شده است: پروتون، الکترون و نوترون. به تصویر زیر توجه کنید. در سال های اخیر مدل های مختلفی برای اتم ارائه شده است که در ادامه به آنها می پردازیم. در یکی از این مدل‌های اتمی، الکترون‌ها در مدارها یا لایه‌هایی در اطراف هسته قرار گرفته‌اند. به تعداد الکترون های بیرونی ترین پوسته، الکترون های ظرفیتی می گویند. به طور مشابه، تعداد پروتون ها و نوترون ها عدد اتمی و عدد جرمی یک اتم را تعیین می کند.

خصوصیات عدد اتمی عبارتند از:

عدد اتمی برابر با تعداد پروتون های درون هسته اتم است.

عدد اتمی با Z نشان داده می شود.

اتم های یک عنصر معین دارای تعداد پروتون یکسان و بنابراین عدد اتمی یکسانی هستند.

اتم های عناصر مختلف دارای اعداد اتمی متفاوتی هستند.

به اتم های کربن توجه کنید. عدد اتمی آنها 6 است. اما اتم های اکسیژن دارای 8 پروتون در هسته خود هستند. بنابراین عدد اتمی آنها 8 است.

سپس به ویژگی های عدد جرمی توجه کنید:

عدد جرمی یک اتم برابر است با مجموع پروتون ها و نوترون های آن.

عدد جرمی با حرف انگلیسی A نشان داده می شود.

از آنجایی که پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم قرار دارند، به آنها نوکلئون می گویند.

اتم کربن را بگیرید. عدد اتمی آن 6 است. آیا عدد جرمی آن را می دانید؟ عدد جرمی برابر با مجموع تعداد پروتون ها و نوترون های داخل اتم کربن و مقدار آن 12 است.

در حالی که تعداد پروتون ها در همه اتم های یک عنصر ثابت می ماند، تعداد نوترون ها می تواند تغییر کند. بنابراین، اتم های داخل عنصر می توانند دارای اعداد جرمی متفاوتی باشند که ایزوتوپ نامیده می شوند.

جرم الکترون را می توان تقریباً نادیده گرفت. بر این اساس، جرم اتمی یک اتم برابر با عدد جرمی آن است.

حالا به راحتی می توانید تفاوت بین اعداد اتمی و اعداد جرمی را تشخیص دهید.

جدول زیر نحوه یافتن ظرفیت، عدد اتمی و عدد جرمی در یک اتم را نشان می دهد.

ظرفیت
تعداد الکترون‌های بیرونی‌ترین لایه

عدد اتمی
تعداد پروتون‌ها

عدد جرمی
جمع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها

نماد اتم چیست؟

برای نوشتن یک نماد اتمی خاص، به دانش زیر نیاز داریم:

نماد عنصر مورد نظر

عدد جرمی

عدد اتمی

برای بدست آوردن عدد اتمی یا عدد جرمی، به تعداد کل پروتون ها و نوترون های آن عنصر نگاه می کنیم.

به عنوان مثال، عنصر کربن نوشته شده است:

$_6^ {12} $ CA

چگونه تعداد نوترون های یک اتم را محاسبه کنیم؟

اگر تعداد پروتون ها و عدد جرمی یک عنصر را بدانیم، به سادگی با کم کردن عدد اتمی از عدد جرمی، تعداد نوترون های آن عنصر را بدست می آوریم.

مثال محاسبه تعداد نوترون ها

یک اتم دارای عدد اتمی 9 و عدد جرمی 19 است.

تعداد پروتون های این اتم را بیابید.

تعداد نوترون های موجود در آن را محاسبه کنید.

تعداد الکترون هایی که به دور هسته یک اتم می چرخند را بیابید.

پاسخ : برای حل این مثال به تعریف عدد جرمی و عدد اتمی توجه می کنیم.

قسمت 1: عدد اتمی این عنصر برابر با 9 است، بنابراین تعداد پروتون های آن نیز برابر با 9 خواهد بود. در تعریف عدد اتمی داشتیم:

عدد اتمی = تعداد پروتون های اتم

قسمت 2 : تعداد نوترون های این اتم برابر با 10 است برای به دست آوردن تعداد نوترون ها عدد اتمی را از عدد جرمی کم می کنیم:

تعداد نوترون = (پروتون + نوترون) – پروتون

قسمت 3 : تعداد الکترون های این اتم برابر با 9 است. زیرا در یک اتم تعداد الکترون ها و پروتون ها همیشه برابر است.

مثال تعیین دسته بندی عناصر و به دست آوردن تعداد الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها

اتم های زیر را در نظر بگیرید. با مراجعه به جدول تناوبی، تعداد الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها و همچنین دسته بندی هر یک از این عناصر را بنویسید.

سیاره تیر

پلاتین

برو

پاسخ : برای پاسخ به این سوال به جدول تناوبی بالا مراجعه می کنیم.

Part 1: جیوه با نماد جیوه نشان داده می شود و جزء گروه فلزات واسطه است. این عنصر دارای 80 الکترون، 80 پروتون و 121 نوترون است.

قسمت 2: پلاتین با نماد Pt نشان داده می شود و جزء گروه فلزات واسطه است. این عنصر دارای 78 الکترون، 78 پروتون و 117 نوترون است.

قسمت 3: برم با نماد Br نشان داده می شود و بخشی از گروه هالوژن است. این عنصر دارای 35 الکترون، 35 پروتون و 45 نوترون است.

مثال تعیین عنصر و به دست آوردن تعداد الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها

با توجه به عبارات زیر نام عنصر مورد نظر را مشخص کنید.

کدام عنصر 25 پروتون دارد؟

کدام عنصر دارای نوترون صفر است؟

کدام عنصر 83 الکترون دارد؟

پاسخ : برای پاسخ به این مثال می توانید به جدول تناوبی مثال قبل مراجعه کنید:

منگنز

هیدروژن

بیسموت

مثال تعیین تعداد ذرات ربزاتمی

برای هر یک از عناصر زیر، تعداد ذرات زیر اتمی را تعیین کنید.

Zn-67

رادیوم

کاتیون آلومینیوم

آنیون فسفر

AnswerAnswer: قبل از اینکه به این مثال پاسخ دهیم، به طور خلاصه در مورد یون ها، آنیون ها و کاتیون ها صحبت خواهیم کرد. در سند فوق ذکر شد که اتم های عناصر به طور معمول از نظر بار الکتریکی خنثی هستند و تعداد الکترون ها و پروتون های آنها برابر است. هنگامی که یک اتم یا گروهی از اتم ها دارای یک یا چند بار الکتریکی منفی یا مثبت باشند، یون نامیده می شوند. یون های دارای بار مثبت کاتیون و یون های دارای بار منفی آنیون نامیده می شوند.

پس از دانستن تعریف آنیون و کاتیون، مثال داده شده را حل می کنیم:

در این قسمت تعداد الکترون ها، پروتون ها و نوترون های عنصر روی پرسیده می شود. تعداد پروتون های این عنصر 30 است. از آنجایی که اتم این عنصر از نظر بار الکتریکی خنثی است، تعداد الکترون های آن با تعداد پروتون های آن برابر و برابر با 30 است و همچنین تعداد نوترون های آن نیز برابر است. برابر با عدد 37.

اتم رادیوم از نظر بار الکتریکی نیز خنثی است و تعداد الکترون ها و پروتون های آن برابر با 88 است و این اتم دارای 138 نوترون است.

در این قسمت باید تعداد ذرات زیر اتمی کاتیون آلومینیوم را بدست آوریم. گفتیم اتم باردار یک یون است و اگر بار آن مثبت باشد به آن کاتیون می گوییم. آلومینیوم بخشی از گروه سوم و اصلی جدول تناوبی است. تعداد الکترون های لایه ظرفیتی یا خارجی ترین لایه آن 3 است. این عنصر با از دست دادن سه الکترون از آخرین لایه به کاتیون آلومینیوم تبدیل می شود. تعداد پروتون های یک اتم کاتیون آلومینیوم 13 است. آیا تعداد الکترون ها 13 خواهد بود؟ خیر، زیرا این اتم 3 الکترون از دست داده است. بر این اساس تعداد الکترون های آن کمتر از تعداد پروتون ها و برابر با 10 است. کاتیون یا آنیون بودن یک اتم تأثیری بر تعداد نوترون ها ندارد، بنابراین کاتیون آلومینیوم دارای 14 نوترون است. در کاتیون اتم تعداد الکترونها از تعداد پروتونها کمتر است.

در این قسمت از مثال بالا، ما تعداد ذرات زیر اتمی را برای آنیون فسفر محاسبه می کنیم. فسفر در گروه پنجم و عمده جدول تناوبی قرار دارد و با به دست آوردن 3 الکترون لایه ظرفیتی خود را کامل می کند. بنابراین این اتم با به دست آوردن سه الکترون به آنیون فسفر تبدیل می شود. بنابراین تعداد پروتون های این اتم 15 و تعداد الکترون های آن بیشتر از تعداد پروتون ها و برابر با 18 خواهد بود.آنیون فسفر دارای 16 نوترون است.

اکنون می توانیم به این سوال که اتم چیست به زبان ساده و ساده پاسخ دهیم. علاوه بر این، مفاهیم عدد اتمی و عدد جرمی و نحوه محاسبه الکترون‌ها، پروتون‌ها و الکترون‌های یک اتم را یاد گرفتیم. در ادامه با ایزوتوپ های اتمی و تعریف آنها آشنا می شویم.

ایزوتوپ چیست؟

خانواده از افراد مرتبط و غیر مشابه تشکیل شده است. این تعریف برای عناصر خاصی که ایزوتوپ نامیده می شوند نیز صدق می کند. ایزوتوپ ها اعضای یک خانواده از عناصر هستند که در آنها تعداد پروتون ها یکسان است اما تعداد نوترون ها متفاوت است. به عبارت دیگر، ایزوتوپ ها عناصر مختلفی هستند که به دلیل تفاوت در تعداد کل نوترون های هسته، تعداد نوکلئون های متفاوتی دارند. ایزوتوپ های اتم ها دارای دو ویژگی اصلی به شرح زیر هستند:

همان تعداد پروتون

تعداد نوترون های مختلف

همانطور که می دانیم تعداد پروتون های درون هسته، عدد اتمی عنصر را در جدول تناوبی تعیین می کند. به عنوان مثال، کربن دارای 6 پروتون و عدد اتمی آن 6 است. عنصر کربن در حالت طبیعی خود دارای 3 ایزوتوپ است:

کربن 12 دارای 6 نوترون است.

کربن 13 دارای 7 نوترون است.

کربن 14 دارای 8 نوترون است.

در تمام ایزوتوپ های کربن، تعداد پروتون ها یکسان و برابر با 6 است. توجه به این نکته ضروری است که با افزودن یک نوترون، مشخصات ایزوتوپی به طور قابل توجهی تغییر می کند. ایزوتوپ کربن 12 پایدار است و هرگز دچار فروپاشی رادیواکتیو نمی شود. با این حال، ایزوتوپ کربن 14 ناپایدار است و نیمی از این ماده پس از یک دوره 5370 ساله تجزیه می شود.

نمایش ایزوتوپ ها

ایزوتوپ ها خواص منحصر به فردی دارند. این ویژگی ها برای کاربردهای تشخیصی و درمانی استفاده می شود.

به طور کلی ایزوتوپ ها به دو صورت نمایش داده می شوند:

نام عنصر مورد نظر را با خط فاصله (-) و عدد جرمی آن می نویسیم. به عنوان مثال، اورانیوم-235 و اورانیوم-239 دو ایزوتوپ متفاوت از عنصر اورانیوم هستند.

نماد AZE را دنبال کنید (نام عنصر را با عدد اتمی و عدد جرمی بنویسید). برای مثال، ایزوتوپ اورانیوم-235 $$^{235}_{92} U$$ و اورانیوم-239 $$^{239}_{92} U$$ نوشته شده است.

در مطالب بالا، در مورد چگونگی بدست آوردن تعداد نوترون در یک اتم صحبت کردیم. برای مثال ایزوتوپ کربن-12 را در نظر بگیرید عدد اتمی کربن 6 است بنابراین تعداد کل نوترون های این ایزوتوپ 6 خواهد بود.

برخی از ایزوتوپ ها پایدار هستند و برخی پس از مدتی تجزیه می شوند. این ایزوتوپ ها رادیواکتیو هستند و رادیو ایزوتوپ نامیده می شوند. کربن 14، تریتیوم (هیدروژن 3)، کلر 36، اورانیوم 235 و اورانیوم 239 نمونه هایی از ایزوتوپ های رادیویی هستند. برخی از ایزوتوپ ها نیمه عمر بسیار طولانی دارند (در حدود صدها تا میلیون ها سال). این ایزوتوپ ها هسته یا ایزوتوپ های پایدار نامیده می شوند. کربن-12، کربن-13، اکسیژن-16، اکسیژن-17 و اکسیژن-18 نمونه هایی از هسته های پایدار هستند. هسته های اولیه، هسته هایی هستند که از ابتدای شکل گیری منظومه شمسی تشکیل شده اند. از 339 ایزوتوپ روی زمین، 286 ایزوتوپ را ایزوتوپ های اولیه می نامند.

خواص ایزوتوپی

نکات مهمی در مورد ایزوتوپ ها وجود دارد که به طور خلاصه به شرح زیر است:

همه عناصر دارای ایزوتوپ هستند.

دو نوع ایزوتوپ وجود دارد، پایدار و ناپایدار (رادیواکتیو).

254 ایزوتوپ پایدار شناخته شده است.

تمام ایزوتوپ های مصنوعی ساخته شده در آزمایشگاه ناپایدار و رادیواکتیو هستند.

برخی از عناصر فقط می توانند به شکل ناپایدار (مانند اورانیوم) وجود داشته باشند.

هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپ‌های آن نام‌های منحصربه‌فردی دارند: دوتریوم برای هیدروژن یک نوترونی و تریتیوم برای هیدروژن دو نوترونی.

تا اینجا به این سوال که اتم چیست به زبان ساده پاسخ دادیم و در مورد ذرات زیراتمی داخل آن صحبت کردیم. در ادامه کمی در مورد این ذرات زیراتمی صحبت خواهیم کرد.

ذرات زیر اتمی در یک اتم چیست؟

می دانیم که یک اتم از سه ذره زیر اتمی شامل پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده است. ذرات دیگری مانند آلفا و بتا در اتم وجود دارد. با توجه به مدل بور (در مورد تئوری های اتمی بعداً صحبت خواهیم کرد)، سه ذره اصلی تشکیل دهنده اتم در عنصر هلیوم مطابق شکل زیر نمایش داده می شوند. بیشتر جرم یک اتم در هسته آن است. هسته از پروتون و نوترون تشکیل شده است. در نتیجه تمام بار مثبت اتم در هسته آن است. الکترون های دارای بار منفی در خارج از هسته قرار دارند.

جدول زیر مشخصات این سه ذره زیر اتمی مانند بار الکتریکی، جرم، بار اتمی، جرم اتمی و اسپین را نشان می دهد.

مشخصات
پروتون
نوترون
الکترون

بار الکتریکی بر حسب کولن
$$+1.6022 times 10 ^ {-19}$$
خنثی
$$-1.6022 times 10 ^ {-19}$$

بار اتمی
1+
0
1-

جرم بر حسب گرم
$$1.6726 times 10 ^ {-24}$$
$$1.6740 times 10 ^ {-24}$$
$$9.1094 times 10 ^ {-28}$$

جرم اتمی بر حسب Au
1/0073
1/0078
0/00054858

اسپین
$$frac{1}{2}$$
$$frac{1}{2}$$
$$frac{1}{2}$$

پروتون چیست؟

پروتون ها در سال 1919 توسط ارنست رادرفورد در آزمایش ورق طلا کشف شد. در این آزمایش، او ذرات آلفا (هسته هلیوم) را روی ورق طلا منتشر کرد. پس از برخورد ذرات آلفا، ذرات آلفا مثبت آشکار شدند. رادرفورد با انجام این آزمایش به این نتیجه رسید که پروتون ها در هسته وجود دارند و بار الکتریکی آنها مثبت است. تعداد پروتون های یک اتم، عدد اتمی آن اتم را تعیین می کند.

الکترون چیست؟

الکترون ها در سال 1897 توسط سر جان جوزف تامسون کشف شد. پس از انجام آزمایش‌های زیادی مانند پرتوهای کاتدی، تامسون نسبت بار الکتریکی به جرم پرتوهای کاتدی را بدست آورد. او ثابت کرد که پرتوهای کاتدی ذرات بنیادی با بار منفی هستند. بعدها این پرتوهای کاتدی الکترون نامیده شدند. رابرت میلیکان بار الکتریکی الکترون را با استفاده از آزمایش افت روغن محاسبه کرد.

الکترون ها در ابر الکترونی قرار دارند. این ابر در ناحیه اطراف هسته اتم قرار دارد. الکترون ها بیشتر در نواحی نزدیک به هسته یافت می شوند. الکترون ها با $$e^-$$ نشان داده می شوند. بار الکتریکی این ذرات منفی و از نظر اندازه با بار الکتریکی پروتون ها برابر است، اما جرم آنها بسیار کمتر از جرم پروتون ها و نوترون ها است. بنابراین، در بیشتر موارد، جرم الکترون نادیده گرفته می شود. اگر تعداد پروتون های یک اتم با تعداد الکترون ها برابر نباشد، اتم از نظر الکتریکی خنثی نیست و به یون تبدیل می شود.

نوترون چیست؟

نوترون ها در سال 1932 توسط جیمز چادویک کشف شد. نوترون ها همراه با پروتون ها در هسته اتم قرار دارند و بیشتر جرم اتم را تشکیل می دهند. تعداد نوترون ها از تفاوت بین تعداد پروتون ها و عدد جرمی به دست می آید. همچنین تعداد نوترون های عنصر تعیین کننده ایزوتوپ اتم و پایداری آن است. به طور معمول، تعداد نوترون ها با تعداد پروتون ها برابر نیست.

علاوه بر ذرات زیر اتمی الکترون، نوترون و پروتون، ذرات دیگری نیز درون اتم وجود دارند. بسیاری از این ذرات در اثر تجزیه رادیواکتیو آزاد می شوند. توجه داشته باشید که در بسیاری از اشکال واپاشی رادیواکتیو، پرتوهای گاما ساطع می شوند که ذرات در نظر گرفته نمی شوند.

ذرات آلفا چیست؟

ذرات آلفا $$He^{2+}$$، $$alpha ^ {2+}$$ یا به سادگی $$alpha$$ نشان داده می شوند. این ذرات هسته هلیوم با دو پروتون و دو نوترون هستند. اسپین کل ذره آلفا صفر است. واپاشی آلفا فرآیندی است که در آن یک اتم ذرات آلفا را ساطع می کند و به عنصر جدیدی تبدیل می شود. این فرآیند فقط در عناصری با هسته های رادیواکتیو بزرگ رخ می دهد. کوچکترین عنصری که ذرات آلفا را ساطع می کند، عنصر شماره 52، تلوریم است.

به طور کلی ذرات آلفا مضر نیستند. این ذرات به سادگی با استفاده از یک ورقه یا پوست جدا می شوند.

ذرات بتا چیست؟

ذرات بتا الکترون ها یا پوزیترون های آزاد با انرژی و سرعت بالا هستند. در نتیجه یکی از نوترون ها به پروتون، الکترون و پادنوترینو پراکنده می شود. پروتون درون هسته باقی می ماند، اما الکترون و پادنوترینو گسیل خواهند شد. این الکترون ذره بتا نامیده می شود:

$$^0_1n پیکان راست ^1_1p^+ + e^- + nu^-_e$$

در فرآیند بالا:

n نشان دهنده نوترون است

$$p^+$$ نشان دهنده پروتون است

$$e^-$$ نشان دهنده یک الکترون یا یک ذره بتا است

$$nu^-_e$$ نشان دهنده پادنوترینو است

هستند.

انتشار $$beta^+$$ یا پوزیترون چیست ؟

انتشار پوزیترون زمانی اتفاق می‌افتد که تعداد پروتون‌ها بیش از حد معمول باشد. در این حالت پروتون به نوترون، پوزیترون و نوترینو تبدیل می شود. هنگامی که این ذرات تولید می شوند، نوترون ها در هسته باقی می مانند، اما پوزیترون ها و نوترینوها منتشر می شوند. در اینجا پوزیترون ذره بتا نامیده می شود. واکنش این فرآیند به صورت زیر نوشته می شود:

$$^1_1p^+ nightarrow ^0_1n + e^+ + nu_e$$

در واکنش بالا، n برابر با نوترینو، $$p^+$$ برابر با پروتون، $$e^+$$ برابر با پوزیترون و $$ nu_e$$ برابر با نوترینو است.

نمونه ای از ذرات زیر اتمی

تعداد پروتون ها، الکترون ها، نوترون ها و پوزیترون ها را در هر یک از موارد داده شده بیابید:

$$^{14}_6C$$

$$alpha$$

$$^{35} C ^-$$

$$بتا^ +$$

$$beta^-$$

$$^{24} میلی گرم ^{2+}$$

$$^{60}Co$$

$$^3 H$$

$$^40Ar$$

$$^1_0n$$

پاسخ : تعداد ذرات زیر اتمی هر یک از عناصر فوق در زیر آمده است:

$$^{14}_6C$$

تعداد پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها به ترتیب 6، 8 و 6 است.

$$alpha$$

تعداد پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها به ترتیب 2، 2 و صفر است. ذره آلفا را می توان به صورت $$^4He^{2+}$$ نوشت. تعداد پروتون ها برابر با 2 است، زیرا عنصر مورد نظر هلیم است. علاوه بر این، تعداد الکترون ها صفر است زیرا 0 = 2-2. تعداد نوترون ها نیز برابر با 2 است زیرا 2 = 4-2 است.

$$^{35} C ^-$$

تعداد پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها به ترتیب 17، 18 و 18 است.همانطور که می بینید تعداد الکترون ها و نوترون ها برابر نیستند، زیرا در اینجا یون کلر با بار 1- داریم.

$$بتا^ +$$

در اینجا تعداد پروتون ها، نوترون ها، الکترون ها و پوزیترون ها به ترتیب صفر، صفر، صفر و یک است.

$$beta^-$$

تعداد پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها به ترتیب صفر، صفر و یک است.

$$^{24} میلی گرم ^{2+}$$

تعداد پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها به ترتیب 12، 12 و 10 عدد است.

$$^{60}Co$$

تعداد پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها به ترتیب 27، 33 و 27 است.

$$^3 H$$

تعداد پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها به ترتیب 1، 2 و 1 است. عنصر مورد بحث هیدروژن است، بنابراین تعداد پروتون های آن 1 است. همچنین از آنجایی که اتم از نظر الکتریکی خنثی است، تعداد الکترون ها برابر است با تعداد پروتون و برابر با یک است. تعداد نوترون ها با کم کردن عدد اتمی از عدد جرمی به دست می آید.

$$^40Ar$$

در اینجا تعداد پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها به ترتیب 18، 22 و 18 است.

$$^1_0n$$

مثال ارائه شده یک نوترون آزاد با پروتون صفر، یک نوترون و الکترون صفر است.

تا اینجا ما با مفاهیم اتم و ذرات زیراتمی به زبان ساده آشنا شده ایم. در ادامه در مورد مدل های مختلف اتمی صحبت خواهیم کرد.

مدل های اتمی

مدل های مختلفی برای اتم و ساختار آن ارائه شده است که مهمترین آنها عبارتند از:

مدل اتمی دالتون

مدل اتمی کیک کشمشی

مدل اتمی رادرفورد

مدل اتمی بور

مدل اتمی سوپرالکترون/مدل اتمی کوانتومی

قبل از آشنایی با مدل های اتمی فوق به جداول زیر توجه کنید. این جداول به طور خلاصه دستاوردها و محدودیت های این مدل ها را نشان می دهد و نمای کلی از مدل های اتمی را در اختیار شما قرار می دهد. در ادامه هر یک از این مدل ها توضیح داده می شود.

مدل تامسون در تصویر زیر به اختصار توضیح داده شده است.

در اینجا توضیح مختصری از مدل اتمی رادرفورد آورده شده است.

مدل اتمی بور و دستاوردهای آن به طور خلاصه در تصویر زیر نشان داده شده است.

تصویر زیر به طور خلاصه آخرین مدل اتمی، مدل اتمی شرودینگر را توضیح می دهد.

مدل اتمی دالتون

در حدود سال 1800 پس از میلاد، جان دالتون شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی به نظریه باستانی اتم دموکریتوس اشاره کرد. دالتون در خانواده ای کارگری به دنیا آمد و بزرگ شد. او از راه تدریس به دانش آموزان امرار معاش می کرد و در اوقات فراغت در حوزه مورد علاقه خود به تحقیق می پرداخت. تحقیقات انجام شده توسط این شیمیدان منجر به یکی از مهمترین نظریه های علم شد. با توجه به نتایج به دست آمده از این تحقیق، وجود اتم ثابت شده است.

جان دالتون

بر اساس نظریه اتمی دالتون، تمام مواد از اتم تشکیل شده اند. در حالی که اندازه و جرم اتم های یک عنصر مشخص یکسان است، عناصر مختلف از اتم هایی با اندازه ها و جرم های مختلف تشکیل شده اند.

قانون های بنیادی نظریه اتمی

قبل از صحبت در مورد مدل اتمی دالتون، ابتدا در مورد قوانین نظریه اتمی صحبت خواهیم کرد.

قانون بقای جرم

طبق این قانون تغییر جرم کل واکنش دهنده ها و محصولات واکنش قبل و بعد از واکنش شیمیایی صفر است. این جمله به این معناست که جرم نه پدید می آید و نه از بین می رود. به عبارت دیگر، جرم کل در واکنش شیمیایی ثابت می ماند. این قانون در سال 1789 توسط «آنتوان لاووازیه» تدوین شد. بعدها مشخص شد که این قانون کمی نادرست است، زیرا در واکنش های شیمیایی جرم می تواند به گرما و انرژی اتصال تبدیل شود. با این حال، جرم از دست رفته بسیار کوچک و چندین مرتبه قدر کمتر از جرم واکنش دهنده ها خواهد بود. بنابراین این قانون با یک تقریب بسیار خوب درست است.

قانون نسبت های ثابت

بر اساس این قانون، هنگامی که یک پیوند شکسته می شود، نسبت جرم عناصر تشکیل دهنده ثابت می ماند. به عبارت دیگر، در یک ترکیب شیمیایی، عناصر همیشه در یک نسبت جرم خاص وجود دارند. این قانون توسط جوزف لوئیس در سال 1799 اثبات شد.

قانون نسبت های چندگانه

طبق این قانون، وقتی دو عنصر دو یا چند ترکیب را تشکیل می دهند، نسبت جرمی عناصر تشکیل دهنده هر ترکیب را می توان به صورت اعداد کوچک و اعداد کامل بیان کرد. این قانون توسط دالتون پیشنهاد شد.

مفروضات نظریه اتمی دالتون عبارتند از:

تمام مواد از ذرات کوچک نامرئی به نام اتم تشکیل شده است.

اندازه، جرم و سایر ویژگی‌های همه اتم‌هایی که یک عنصر را می‌سازند یکسان است. با این حال، اتم های عناصر مختلف اندازه، جرم و خواص متفاوتی دارند.

اتم ها نه ایجاد می شوند و نه از بین می روند. همچنین، اتم ها را نمی توان به ذرات کوچکتر تقسیم کرد.

اتم های عناصر مختلف می توانند با نسبت های ثابت و صحیح با یکدیگر ترکیب شوند.

اتم ها می توانند در واکنش های شیمیایی بازآرایی، ترکیب یا جدا شوند.

دالتون معتقد بود که نظریه اتمی به خوبی می تواند توضیح دهد که چرا آب گازهای مختلف را به نسبت های مختلف جذب می کند. به عنوان مثال، دالتون کشف کرد که آب دی اکسید کربن را بسیار بهتر از نیتروژن جذب می کند.

محدودیت‌ های نظریه اتمی دالتون

نظریه دالتون چندین محدودیت داشت.

در این نظریه ذرات زیراتمی مانند الکترون، پروتون و نوترون در نظر گرفته نشد. دالتون گفت که اتم ها نامرئی هستند. اما، پس از کشف ذرات زیر اتمی، این فرض زیر سوال رفت.

در این نظریه، ایزوتوپ ها در نظر گرفته نشدند. طبق این نظریه، جرم و چگالی اتم ها در یک عنصر معین یکسان است، اما ایزوتوپ های مختلف عنصر دارای جرم اتمی متفاوتی هستند (مثلاً هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم).

در این نظریه ایزوبارها در نظر گرفته نمی شوند. طبق نظریه اتمی دالتون، جرم اتم های عناصر مختلف باید با یکدیگر متفاوت باشد. با این حال، گاهی اوقات تعداد جرمی دو عنصر مختلف می تواند یکسان باشد. این اتم ها ایزوبار نامیده می شوند (برای مثال $$^{40}Ar$$ و $$^{40}Ca$$).

برای تشکیل ترکیبات مختلف، لازم نیست عناصر به نسبت کوچک و صحیح با یکدیگر ترکیب شوند. در برخی از ترکیبات آلی پیچیده، نسبت ساده اتم های تشکیل دهنده (مانند شکر) رعایت نمی شود.

آلوتروپ ها در این نظریه در نظر گرفته نمی شوند. به عنوان مثال، الماس و گرافیت تنها از اتم های کربن تشکیل شده اند، اما خواص آنها بسیار متفاوت از یکدیگر است. نظریه اتمی دالتون قادر به توضیح این تفاوت نیست.

نقص عمده در نظریه دالتون بعداً توسط آووگادرو تصحیح شد. بر اساس اصل آووگادرو، حجم مساوی از هر دو گاز، در دما و فشار یکسان، از تعداد یکسانی مولکول تشکیل شده است. به عبارت دیگر، جرم ذرات گاز بر حجم اشغال شده توسط گاز تأثیر نمی گذارد. سال ها بعد با انجام آزمایش های مختلف توسط تامسون، رادرفورد و نیلز بور، ساختار کامل اتم شناخته شد.

در مدل های اتمی، در موضوع اتم چیست، اولین مدل اتمی ارائه شده یعنی مدل اتمی دالتون و کاستی های آن را کشف کردیم. سپس در مورد مدل ارائه شده توسط تامسون در سال 1904 صحبت خواهیم کرد.

مدل اتمی کیک کشمشی

دموکریتوس هزاران سال پیش فرض کرد که ذرات بسیار کوچکی به نام اتم وجود دارد. پس از اعلام این فرضیه، مدل های مختلفی برای ساختار اتم ارائه شد. بسیاری از این مدل ها پس از مدتی رد شدند و مدل های پذیرفته شده در طول سال ها تکمیل شدند. سال‌ها تصور می‌شد که اتم‌ها از اجزای کوچک‌تری تشکیل نشده‌اند، اما با پیشرفت علم و استفاده از فناوری‌های پیشرفته‌تر، مشخص شد که اتم‌ها از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده‌اند. این ذرات به صورت الکترومغناطیسی با یکدیگر تعامل دارند.

تامسون با انجام آزمایش های جدید در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20 نشان داد که اتم از ذرات کوچکتری به نام الکترون تشکیل شده است. وجود پروتون ها نیز پذیرفته شد زیرا اتم ها از نظر الکتریکی خنثی فرض می شدند. گام بعدی پس از کشف ذرات زیراتمی این بود که بدانیم چگونه این ذرات در داخل اتم قرار گرفته اند. یافتن مدل مناسب به دلیل اندازه بسیار کوچک اتم بسیار دشوار بود. از این رو، دانشمندان مناسب ترین مدل هایی را که در ذهن داشتند، ارائه کردند. هدف از یافتن بهترین مدل اتم نمایش خصوصیات اتم به ساده ترین و گویاترین شکل ممکن است.

با کشف الکترون، تحول جدیدی در مدل های ارائه شده برای اتم رخ داد. تامسون پس از کشف الکترون، مدل جدیدی به نام «مدل کیک کشمشی» برای اتم ارائه کرد. در این مدل فرض بر این بود که اتم از بیش از یک واحد اساسی تشکیل شده است. کیک کشمشی در تصویر زیر نشان داده شده است. این کیک به عنوان یک دسر انگلیسی به نام پودینگ آلو تهیه می شود. همانطور که در عکس زیر مشاهده می کنید کشمش ها داخل کیک پراکنده شده اند. در مدل ارائه شده توسط تامسون، الکترون ها نقش کشمش را بازی می کنند.

در این مدل، الکترون ها در یک کره یکنواخت از بارهای مثبت (مانند کشمش قرار داده شده در داخل کیک) قرار گرفتند. نوع مثبت کره سوپ غلیظ، ژله در نظر گرفته شد. در توضیح این مدل، الکترون ها تا حدودی متحرک فرض شده اند. هنگامی که الکترون ها به قسمت بیرونی اتم نزدیک شدند، بار مثبت داخل کره که بیشتر از بارهای منفی همسایه بود، الکترون را به سمت داخل کشید و باعث شد که الکترون در مرکز اتم باشد.

آزمایش تامسون و کشف الکترون

همانطور که در بالا ذکر شد، تامسون آزمایشاتی را با استفاده از لامپ پرتو کاتدی در اواخر قرن نوزدهم انجام داد. لامپ اشعه کاتدی یک لوله شیشه ای مهر و موم شده است که عمدتا توسط یک پمپ خلاء تخلیه می شود. ولتاژ بسیار بالایی به هر دو سر لامپ اعمال می شود و پرتوی از ذرات از الکترود کاتد (الکترود با بار منفی) به الکترود آند (الکترود با بار مثبت) حرکت می کند. این لامپ را لامپ پرتو کاتدی می نامند زیرا منبع پرتو کاتدی الکترود کاتدی است.

برای آزمایش خواص ذرات، تامسون از دو صفحه الکتریکی با بارهای مخالف در اطراف پرتو کاتدی استفاده کرد. هنگامی که پرتو کاتدی از این دو صفحه عبور می کند، از صفحه دارای بار منفی دور شده و به صفحه دارای بار مثبت نزدیک می شود. این انحراف نشان داد که پرتو کاتدی از ذرات باردار منفی تشکیل شده است.

همچنین برای به دست آوردن نتایج کامل تر، تامسون دو آهن ربا در هر طرف لوله قرار داد. مشاهده شد که پرتو کاتدی هنگام عبور از میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنربا منحرف می شود. نتایج به دست آمده از این آزمایش به تامسون کمک کرد تا نسبت جرم به بار ذرات پرتو کاتدی را تعیین کند.

نتیجه آزمایش بسیار چشمگیر بود، جرم محاسبه شده برای ذرات داخل پرتو کاتدی بسیار کوچکتر از جرم هر اتم شناخته شده بود. برای تایید نتیجه، تامسون آزمایش را با فلزات مختلف تکرار کرد. بر اساس یافته های وی، ویژگی های پرتو کاتدی بدون توجه به نوع کاتد استفاده شده بدون تغییر باقی مانده است. پس از انجام این آزمایش و تکرار آن با کاتدهای مختلف، تامسون نتایج زیر را به دست آورد:

پرتوهای کاتدی از ذرات با بار منفی تشکیل شده اند.

ذرات تشکیل دهنده پرتو کاتدی به عنوان ذرات تشکیل دهنده اتم در نظر گرفته شده اند، زیرا جرم هر یک از آنها تقریباً $$frac{1}{2000}$$ از جرم اتم هیدروژن است.

این ذرات زیر اتمی در داخل اتم های همه عناصر یافت می شوند.

این نتایج در ابتدا بسیار دشوار بود، اما به تدریج توسط دانشمندان دیگر پذیرفته شد.

کاستی‌ های مدل اتمی کیک کشمشی

همانطور که در مورد مدل کیک کشمشی گفته شد، الکترون ها در داخل یک کره با بار مثبت توزیع می شوند و جهت کل نیروی وارد بر این الکترون ها به سمت مرکز کره است. الکترون های با بار منفی یکدیگر را دفع می کنند و پوسته تشکیل می دهند. مدل ارائه شده توسط تامسون برای چندین سال به عنوان مدل اتمی پذیرفته شد. در سال 1911 رادرفورد مدل جدیدی برای اتم پیشنهاد کرد.

مدل کیک کشمشی کاستی های زیادی داشت. مهمترین آنها عبارتند از:

پایداری اتم را نمی توان با استفاده از این مدل توجیه کرد. علاوه بر این، این مدل نتوانست به اندازه کافی توضیح دهد که چگونه بار مثبت الکترون های دارای بار منفی را در داخل اتم نگه می دارد. بنابراین، این مدل توضیح قابل قبولی برای مکان هسته در اتم ارائه نکرد.

مدل تامسون پراکندگی ذرات آلفا توسط صفحات فلزی را توضیح نداد (آزمایش رادرفورد در سال 1911).

هیچ آزمون تجربی برای پشتیبانی و توجیه این مدل انجام نشده است.

اگرچه مدل کیک کشمشی مدل دقیقی از ساختار اتمی نیست، اما به عنوان یک مدل پایه برای توسعه سایر مدل های اتمی استفاده شده است.

تا اینجا به این سوال که اتم چیست به زبان ساده پاسخ دادیم و در مورد مدل های اتمی دالتون و کیک کشمشی صحبت کردیم. مدل اتمی Raisin توسط تامسون در اوایل قرن بیستم ارائه شد و توسط آزمایش رادرفورد در سال 1911 به چالش کشیده شد.

مدل اتمی رادرفورد

آزمایش مهم دیگری بر روی اتم توسط یک فیزیکدان نیوزلندی به نام ارنست رادرفورد انجام شد. رادرفورد بیشتر عمر خود را در کانادا و انگلستان گذراند. او در آزمایش معروف خود از ورق طلای بسیار نازک استفاده کرد، بنابراین این آزمایش به آزمایش ورق طلا معروف است.

رادرفورد پرتوی از ذرات آلفا را بر روی ورقه ای بسیار نازک از طلای خالص می تابانید. ذرات آلفا هسته‌های هلیوم هستند ($$^4_2He^{2+}$$) که در فرآیندهای مختلف تجزیه رادیواکتیو تولید می‌شوند. برای تولید این ذرات به یک عنصر رادیواکتیو نیاز بود. برای این کار رادرفورد از فلز رادیوم استفاده کرد. او مقداری از این فلز را در یک جعبه سربی با سوراخ کوچکی در آن قرار داد. بیشتر تابش توسط سرب جذب شد، اما یک پرتو نازک از ذرات آلفا از حفره کوچک بیرون آمد و بر روی ورق طلا می درخشید. در این آزمایش، آشکارسازهای مختلفی در اطراف ورق طلا قرار داده شد.

اولین سوالی که ممکن است مطرح شود این است که چرا رادرفورد از ورق طلا استفاده کرده است؟ آیا او نمی توانست به جای پرداخت هزینه اضافی برای خرید طلا از نیکل استفاده کند؟ باور کنید یا نه، استفاده از طلا به دلیل ذوق غنی رادرفورد نبود. طلا یک فلز بسیار چکش خوار است، بنابراین می توان آن را به ورقه های بسیار نازک تبدیل کرد. در واقع، نازک ترین ورقه های طلا می تواند به ضخامت 0.00004 سانتی متر برسد. این ضخامت برابر با چند صد اتم است. چنین ورق نازکی برای موفقیت آزمایش رادرفورد ضروری بود. اگر ضخامت ورق طلا بیشتر از این مقدار بود، ذرات آلفا به داخل نفوذ نمی کردند.

مدل کیک کشمشی چند سال قبل از آزمایش رادرفورد توسط تامسون پیشنهاد شد. رادرفورد با استفاده از این مدل پیش بینی کرد که بیشتر ذرات آلفا که در ورق طلا تابش می شوند بدون انحراف از مسیر خود عبور می کنند. دلیل این پیش بینی این بود که طبق مدل تامسون، بارهای مثبت در سراسر حجم اتم توزیع شده است. بنابراین، اندازه و شدت میدان الکتریکی حاصل از کره با بار مثبت آنقدر زیاد نیست که تأثیر قابل توجهی در مسیر حرکت ذرات آلفا با جرم بالا و سرعت بالا داشته باشد.

نتایج به دست آمده از این آزمایش معنی دار بود. بر اساس این نتایج، ذرات آلفا پس از تابش بر روی صفحه آلفا به سه دسته تقسیم شدند:

بیشتر آنها بدون انحراف مستقیماً از ورق طلا عبور کردند.

تعداد کمی از آنها (یک در 20000) بیش از 90 درجه از مسیر اصلی منحرف شدند.

تعداد کمی با زاویه بسیار کمی از مسیر اصلی منحرف شدند.

رادرفورد در توصیف این نتیجه شگفت‌انگیز گفت:

این به همان اندازه شگفت انگیز است که یک توپ کوچک به یک دستمال کاغذی شلیک کنید و توپ از روی دستمال کاغذی پریده و به شما برخورد کند.

مشاهدات رادرفورد

رادرفورد از نتایج خارج از جعبه آزمایش بسیار شگفت زده شد. وی مشاهدات خود را اینگونه بیان کرد:

بیشتر ذرات آلفای تابیده شده بر روی ورق طلا بدون هیچ انحرافی از آن عبور کردند. از این مشاهدات می توان نتیجه گرفت که بیشتر فضای داخل اتم خالی است.

تعدادی از ذرات آلفا پس از عبور از ورق طلای نازک با زاویه ای بسیار کوچک منحرف می شوند. بنابراین بار مثبت داخل اتم به طور مساوی توزیع نمی شود و در حجم بسیار کمی متمرکز می شود.

تعداد بسیار کمی از ذرات آلفا پس از برخورد با ورق طلا با زاویه 180 درجه به مسیر اصلی خود بازگشتند. بنابراین، حجم اشغال شده توسط بارهای مثبت در مقایسه با حجم کل اتم بسیار کم است.

بر اساس مشاهدات و نتایج فوق، رادرفورد مدلی را برای اتم پیشنهاد کرد:

بار مثبت و بیشتر جرم اتم در حجم بسیار کمی متمرکز شده است. رادرفورد این ناحیه از اتم را هسته نامید.

طبق مدل رادرفورد، الکترون هایی با بار منفی دور هسته با بار مثبت را احاطه کرده اند. علاوه بر این، رادرفورد اظهار داشت که الکترون ها در مسیرهای دایره ای با سرعت بسیار بالا به دور هسته می چرخند. او این مسیرهای دایره ای را مدار نامید.

الکترون های با بار منفی و هسته های با بار مثبت توسط جاذبه الکترواستاتیکی در کنار هم نگه داشته می شوند.

آیا مدل اتمی رادرفورد کامل بود؟ نه، این مدل، مانند مدل تامسون، با سوالاتی مواجه بود که قادر به پاسخگویی نبود.

کاستی های مدل اتمی رادرفورد

اگرچه مدل اتمی رادرفورد بر اساس نتایج آزمایشگاهی بود، این مدل نتوانست برخی از مشاهدات را توضیح دهد:

طبق مدل رادرفورد، الکترون ها در مسیرهای ثابتی به نام مدار به دور هسته می چرخند. ماکسول به این نتیجه رسید که ذرات باردار شتاب دهنده تابش الکترومغناطیسی ساطع می کنند. بنابراین، الکترونی که به دور هسته می چرخد، تابش الکترومغناطیسی ساطع می کند. این تابش منجر به گرفتن انرژی از حرکت الکترون می شود و بنابراین مدار حرکت کوچکتر می شود. فاصله حرکت الکترون ها از هسته کمتر و کمتر می شود و در نهایت بر روی هسته اتم می افتند. بر اساس محاسبات انجام شده در مدل رادرفورد، الکترون در کمتر از $10^{-8}$$ ثانیه روی هسته می افتد. بنابراین، مدل اتمی رادرفورد با نظریه ماکسول مطابقت دارد و قادر به توضیح پایداری اتم نیست.

نقص دیگر مدل اتمی رادرفورد این بود که آرایش الکترون ها در اتم را توضیح نمی داد. بنابراین این نظریه کامل نبود.

اگرچه اولین مدل‌های اتمی نادقیق بودند و قادر به توضیح نتایج به‌دست‌آمده نبودند، این مدل‌ها مبنایی برای توسعه مدل‌های اتمی بعدی شدند.

گفتیم که مدل رادرفورد قادر به توضیح پایداری اتم نیست و طبق این مدل اتم در مدت زمان بسیار کوتاهی ناپدید می شود. نیروی کولن بین ذرات با بار مخالف به این معنی است که هسته مثبت و الکترون های منفی باید یکدیگر را جذب کنند و اتم از بین می رود. برای جلوگیری از این فروپاشی، فرض بر این بود که الکترون به دور هسته می چرخد. نیروی کولن برای تغییر جهت سرعت استفاده می شود.

تا اینجا ما می دانیم که مدل های مختلف اتم چیست و گفتیم که رادرفورد در سال 1911 با پرتو دادن ذرات آلفا بر روی ورق طلای نازک مدل بسیار متفاوتی از اتم ارائه کرد. اما این مدل ایراداتی داشت. 4 سال بعد، در سال 1915، نیلز بور مدل اتمی بور را پیشنهاد کرد.

مدل اتمی بور

بور مدل جدیدی را برای حل ایرادات مدل رادرفورد پیشنهاد کرد. در مدل رادرفورد، هسته با بار مثبت در مرکز قرار دارد و الکترون ها به دور آن می چرخند.

بور مدل اتمی رادرفورد را تکمیل و تصحیح کرد. او پیشنهاد کرد که الکترون ها در مدارهای ثابت (پوسته) اطراف هسته حرکت کنند. طبق مدل بور، الکترون ها فقط در این پوسته ها یافت می شوند و نه در فضای بین آنها. رادرفورد هسته اتم را توضیح داد و بور مدل رادرفورد را بهبود بخشید.

طبق مدل پیشنهادی بور، هسته با بار مثبت در مرکز اتم قرار دارد و الکترون‌ها در لایه‌های ثابتی در اطراف آن حرکت می‌کنند. الکترون‌ها در مدارهای نزدیک‌تر به هسته انرژی کمتری دارند و الکترون‌ها در مدارهای دورتر از هسته انرژی بیشتری دارند.

در سال 1913، بور تلاش کرد تا پارادوکس اتمی را با نادیده گرفتن پیش‌بینی الکترومغناطیس کلاسیک حل کند. در عوض، بور از ایده‌های پلانک در مورد انرژی کوانتومی و یافته‌های انیشتین مبنی بر اینکه نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است استفاده کرد تا به این سوال که اتم چیست و مدلی کامل‌تر در ساختار آن ارائه دهد، پاسخ دهد. او فرض کرد که الکترون هیچ تابشی در مدار اطراف هسته ساطع نمی کند (فرضیه حالت مانا). اما اگر الکترون از یک مدار به مدار دیگر حرکت کند، فوتون را جذب یا ساطع می کند. مقدار انرژی جذب شده یا ساطع شده به صورت زیر بدست می آید:

$$|triangleE| = |E_f – E_i| = h nu = frac{hc}{lambda}$$

از این نظر ثابت پلانک h و $$E_i$$ و $$E_f$$ به ترتیب انرژی مداری اولیه و نهایی هستند. بور مقادیر گسسته ای را برای تکانه زاویه ای، انرژی و شعاع مداری در نظر گرفت. با توجه به محاسبات بور، انرژی به صورت زیر نوشته می شود و دارای مقادیر گسسته است:

$$E_n = – frac{k}{n^2}$$

در رابطه بالا، n می تواند هر عدد صحیح مثبتی داشته باشد. علاوه بر این، k ثابتی است که از ثابت‌های اساسی مانند جرم الکترون، بار آن و ثابت پلانک تشکیل شده است. با ادغام دو رابطه قبلی، داریم:

$$|triangleE| = k(frac{1}{n_1^2 } – frac{1}{n_2^2 }) = frac{hc}{ lambda} \ frac{1}{lambda}= frac{ k}{hc}(frac{1}{n_1^2 } – frac{1}{n_2^2 }) $$

کمترین سطح انرژی در تصویر زیر نشان داده شده است. یکی از اساسی ترین قوانین فیزیک این است که ماده در کمترین مقدار انرژی در پایدارترین حالت ممکن قرار دارد. بنابراین الکترون موجود در اتم هیدروژن به مدار شماره 1 (n=1) حرکت می کند، زیرا این مدار کمترین مقدار انرژی را دارد. حالت پایه اتم زمانی اتفاق می افتد که الکترون در مدار کمترین انرژی قرار گیرد. اگر اتم از یک منبع خارجی انرژی دریافت کند، الکترون می تواند به مداری با n بزرگتر حرکت کند، در این صورت گفته می شود اتم برانگیخته شده است.

وقتی الکترون از حالت برانگیخته به حالت پایه (یا به حالت کمتر برانگیخته) می رود، اختلاف انرژی به صورت فوتون گسیل می شود. به طور مشابه، اگر یک فوتون توسط یک اتم جذب شود، انرژی فوتون جذب شده، الکترون را از یک اوربیتال با انرژی کمتر به یک اوربیتال با انرژی بالاتر (حالت برانگیخته) منتقل می کند.

طبق قانون بقای انرژی، انرژی نه ایجاد می شود و نه از بین می رود. بنابراین، اگر E برای تحریک الکترون از حالت انرژی 1 به 3 مورد نیاز باشد، هنگامی که الکترون از حالت 3 به حالت 1 برمی گردد، انرژی آزاد شده برابر با E خواهد بود.

از آنجایی که مدل بور فقط یک الکترون دارد، می توان از آن برای توصیف یون های تک الکترونی مانند $$He^+$$ و $$Li^{2+}$$ استفاده کرد. در اینجا به یک نکته مهم در مورد مدل اتمی بور پی می بریم. در این مدل برهمکنش الکترون های داخل اتم نادیده گرفته شده است، بنابراین این مدل برای اتم هایی با بیش از یک الکترون مناسب نخواهد بود. در واقع این مدل ها برای توصیف اتم های هیدروژن مانند مناسب هستند. انرژی به دست آمده برای اتم های هیدروژن مانند تعمیم انرژی محاسبه شده برای اتم هیدروژن است، تنها تفاوت این است که عدد Z که برابر با بار مثبت هسته است اضافه می شود. به عنوان مثال، مقدار Z برای هیدروژن +1 و برای هلیم +2 است. همچنین مقدار k برابر با $2,179 times 10^{-18} J$$ خواهد بود.

$$E_n = – frac{kZ^2}{n^2}$$

اندازه مدارهای دایره ای در مدارهای هیدروژن مانند تابعی از شعاع آنها به صورت زیر بیان می شود:

$$r = frac{n^2}{Z} a_0$$

در رابطه بالا، ثابت $$a_0$$ شعاع بور است و مقدار آن برابر با $5.292 times 10^{-11}$$ متر است.

به رابطه بالا برای انرژی توجه کنید. در این رابطه n نشان دهنده تعداد لایه های الکترونی است. مقدار انرژی با منفی مربع n رابطه معکوس دارد، یعنی وقتی مقدار آن افزایش می یابد، انرژی نیز افزایش می یابد. در این حالت الکترون ها در فاصله بیشتری از هسته قرار دارند.

نیروی جاذبه الکترواستاتیکی بین الکترون و هسته را به خاطر بسپارید. نیرو با مجذور فاصله بین الکترون و هسته رابطه معکوس دارد، یعنی هر چه فاصله بیشتر باشد، نیرو کوچکتر است. همچنین، هر چه مقدار n بزرگتر باشد، شعاع مدار به دور هسته بزرگتر و مقدار انرژی کمتر می شود. اگر مقدار n و r به بی نهایت برود مقدار انرژی صفر می شود. در این حالت اتم یونیزه شده و یک الکترون از دست داده است. مقدار انرژی مورد نیاز برای یونیزاسیون اتم هیدروژن برابر است با:

$$مثلث E = E_{n فلش راست 0 } – E_1 = 0 + k = k$$

طیف اتمی چیست ؟

آیا تا به حال به لامپ ها توجه کرده اید؟ داخل این لامپ ها یک سیم بسیار نازک وجود دارد که با افزایش دما نور از خود ساطع می کند. به این رشته رشته می گویند. این سیم در اکثر لامپ ها از تنگستن ساخته شده است. برای چی؟ زیرا نور ساطع شده از رشته تنگستن شامل تمام فرکانس ها بوده و به رنگ سفید دیده می شود. هر عنصری هنگام گرم شدن یا عبور جریان الکتریکی از آن نور ساطع می کند.

هر عنصر دارای یک طیف اتمی منحصر به فرد است.

فرکانس های نور ساطع شده توسط اتم ها در چشم با هم مخلوط می شوند، بنابراین ما یک رنگ مخلوط را می بینیم. بسیاری از فیزیکدانان، مانند آنگستروم در سال 1868 و بالمر در سال 1875، نور ساطع شده از اتم های پرانرژی را از طریق منشورهای شیشه ای عبور دادند تا فرکانس های جداگانه را ببینند. طیف تابشی یا طیف اتمی یک عنصر شیمیایی، الگوی منحصر به فردی از نور است که از آن عنصر در هنگام افزایش دما یا عبور جریان الکتریکی از آن ساطع می شود.

هنگامی که گاز هیدروژن در داخل لوله قرار می گیرد و جریان الکتریکی از آن عبور می کند، رنگ نور ساطع شده صورتی است. با جداسازی این رنگ می بینیم که طیف هیدروژن از چهار فرکانس منحصر به فرد تشکیل شده است. نور صورتی داخل لوله به دلیل اختلاط این چهار رنگ در چشم است.

طیف اتم هیدروژن

مفروضات مدل اتمی بور

بور برای توصیف مدل اتمی پیشنهادی خود، مفروضات زیر را در نظر گرفت:

در یک اتم، الکترون های دارای بار منفی در مسیرهای دایره ای خاصی به دور هسته می چرخند (با بار مثبت). به این مسیرهای دایره ای مدار یا لایه می گویند.

هر مدار یا لایه انرژی ثابتی دارد و لایه های مداری نامیده می شود.

سطوح انرژی با یک عدد صحیح مثبت n (عدد کوانتومی) نشان داده می شود. هم ترازی n=1 کمترین انرژی و فاصله را از هسته دارد. هنگامی که یک الکترون در پوسته n=1 قرار دارد، گفته می شود که در حالت پایه قرار دارد.

الکترون های یک اتم با به دست آوردن انرژی از سطح انرژی کمتر به سطح انرژی بالاتر حرکت می کنند. همچنین الکترون با از دست دادن انرژی از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر حرکت می کند.

انرژی جذب شده یا تابش شده برابر است با تفاوت بین انرژی های دو سطح انرژی ($E_1$$، $$E_2$$). این اختلاف انرژی با استفاده از معادله پلانک تعیین می شود.

الکترون با قرار گرفتن و حرکت در یک سطح یا حالت انرژی خاص نه انرژی از دست می دهد و نه به دست می آورد. انرژی الکترون در یک سطح انرژی معین همیشه ثابت یا ثابت می ماند.

آیا مدل اتمی بور کامل است؟ خیر این مدل نیز مانند مدل ارائه شده توسط رادرفورد دارای محدودیت ها و کاستی هایی بود.

کاستی های مدل اتمی بور

اگرچه مدل اتمی بور در توضیح پایداری اتم و خطوط طیفی اتم هیدروژن بسیار موفق بود، اما محدودیت‌های این مدل را نمی‌توان نادیده گرفت:

گفتیم که مدل اتمی بور طیف اتم هیدروژن را به خوبی توضیح می دهد، اما این مدل خطوط طیفی اتم های دارای بیش از یک الکترون (اتم های چند الکترونی) را توضیح نمی دهد.

مدل بور توضیح قابل قبولی برای تأثیر میدان مغناطیسی بر روی طیف اتم ها یا یون ها ارائه نکرد. هنگامی که یک اتم تابشی در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار می گیرد، هر خط طیفی به چندین خط تقسیم می شود. این پدیده را اثر زیمن می نامند. مدل اتمی بور نتوانست این اثر را توضیح دهد.

مدل بور نمی تواند تأثیر میدان الکتریکی را بر روی طیف اتم ها توضیح دهد (اثر استارک). هنگامی که یک ماده طیف گسیل خطی در یک میدان الکتریکی خارجی قرار می گیرد، خطوط آن به خطوطی با فاصله مکانی نزدیک تقسیم می شوند. این نظریه نمی تواند شدت نسبی خطوط طیفی را پیش بینی کند.

نظریه اتمی بور شکل مولکول های به دست آمده از پیوندهای مستقیم بین اتم ها را توضیح نداد.

طبق مدل بور، تابش زمانی رخ می دهد که یک الکترون از یک سطح انرژی به سطح دیگر حرکت کند. اما بور توضیح نداد که این تشعشع چگونه رخ می دهد.

این مدل با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در تضاد است. در مدل اتمی بور، اندازه شعاع و مدار الکترون ها به طور همزمان مشخص است. با توجه به اصل عدم قطعیت، دانستن این دو مقدار به طور همزمان غیرممکن خواهد بود. بور فرض کرد که الکترون درون اتم در فاصله معینی از هسته قرار دارد و با سرعت معینی به دور آن می چرخد. این فرض با توجه به اصل عدم قطعیت صحیح نیست.

بخونیدش:  چرا پیام به خط همراه اول پیامک ارسال نمیشود

برخلاف محدودیت‌های بیان شده برای مدل اتمی بور، این مدل دستاوردهای بزرگی داشت، از جمله:

این مدل پایداری اتم را توضیح می دهد.

طبق نظریه بور، الکترون تا زمانی که در مدار خاصی به دور هسته می چرخد، انرژی خود را از دست نمی دهد. همچنین الکترون نمی تواند از مدار اول به مدار پایین تر بپرد زیرا مداری کمتر از یک وجود ندارد. بنابراین، این مدل محدودیت مدل اتمی رادرفورد را حذف کرد.

مدل اتمی بور به محاسبه انرژی الکترون ها در اتم هیدروژن و ترکیبات هیدروژن مانند کمک کرد.

با توجه به فرضیه های ارائه شده توسط بور، محاسبه انرژی الکترون در مدار n ام ترکیب هیدروژن مانند امکان پذیر است.

مدل اتمی بور طیف اتمی اتم های هیدروژن را توضیح داد.

به عقیده بور، الکترون های یک اتم فقط انرژی خاصی دارند. حالتی که در آن یک الکترون در کمترین سطح انرژی ممکن قرار دارد، حالت پایه نامیده می شود. هنگامی که یک الکترون از یک منبع خارجی انرژی دریافت می کند، به سطح انرژی بالاتری می پرد.

ابتدا سعی کردیم به این سوال که اتم چیست به زبان ساده پاسخ دهیم. سپس در مورد ذرات تشکیل دهنده اتم ها مانند الکترون، پروتون و نوترون و مدل های اتمی تا مدل اتمی بور صحبت کردیم. ما متوجه شدیم که مدل اتمی بور کاستی های مدل اتمی رادرفورد را حل می کند، اما محدودیت های آن را حل نمی کند. با ظهور فیزیک کوانتومی، انقلاب جدیدی در فیزیک رخ داده است. این شاخه از فیزیک با ارائه مدل بسیار کامل تری که به مدل کوانتومی معروف است، توانست توضیح قابل قبولی از ساختار اتم ارائه دهد.

مدل مکانیکی کوانتومی اتم چیست؟

یکی از مهمترین نتایج فیزیک کوانتومی کشف دوگانگی موج-ذره و طول موج دوگانه بود.

دوگانگی موج – ذره و طول موج دوبروی

یکی از بزرگترین پیشرفت ها در مکانیک کوانتومی توسط فیزیکدان فرانسوی لویی دو بروگلی انجام شد. بر اساس کار پلانک و انیشتین که بیان کردند امواج نور می توانند خواص ذره مانندی از خود نشان دهند، دوبروی این فرض را مطرح کرد که ذرات می توانند خواص موج مانند داشته باشند.

دوبروی رابطه زیر را برای طول موج ذره ای با جرم m (kg) که با سرعت $$v$$ متر بر ثانیه حرکت می کند به دست آورد:

$$lambda = frac{h}{mv}$$

در رابطه بالا، $$lambda$$ طول موج مضاعف بر حسب متر و $$h$$ ثابت پلانک است.

توجه داشته باشید که طول موج و جرم ذرات رابطه معکوس دارند. به همین دلیل، ما متوجه رفتار امواج اجسام ماکروسکوپی اطراف خود نمی شویم. رفتار موج ماده را می توان زمانی مشاهده کرد که موج با مانع یا فضایی به اندازه موج دوتایی برخورد می کند. اما هنگامی که جرم ذرات در حدود $10^{-18}$$ باشد، مانند الکترون، رفتار امواج بسیار آشکار می شود و پدیده های بسیار جالبی ظاهر می شود.

محاسبه موج دوگانه مثال

سرعت الکترون‌ها در انرژی حالت پایه هیدروژن 2.2 دلار بار 10^6 frac{m}{s}$$ متر بر ثانیه است. اگر جرم الکترون $9.1 times 10^{-31} frac{m}{s}$$ kg باشد، طول موج الکترون را پیدا کنید.

پاسخ : با قرار دادن ثابت پلانک، سرعت و جرم الکترون در رابطه نوشته شده برای طول موج دو برابر، داریم:

$$lambda = frac{h}{mv} = frac{6.626 times 10 ^{-34} }{(9.1 times 10 ^ {-31}) (2.2 times 10^6)} = 3.3 times 10 ^{-10} m$$

طول موج دوگانه یک الکترون برابر با $3.3 times 10 ^{-10} $$ متر است. این مقدار از مرتبه بزرگی قطر اتم هیدروژن است.

امواج ایستاده

مشکل اصلی مدل اتمی بور این بود که الکترون ها به عنوان ذرات در مدارهای خاصی تعریف می شدند. شرودینگر با استفاده از ایده دابروی در مورد رفتار موجی ذرات، به این نتیجه رسید که رفتار الکترون ها در اتم ها را می توان با استفاده از امواج ماده به صورت ریاضی توضیح داد.

این واقعیت که الکترون در اتم فقط می تواند انرژی های مجاز خاصی داشته باشد مشابه موج ایستاده و ویژگی های آن است. برای درک بهتر رفتار موجی الکترون، در مورد مهمترین ویژگی های امواج ایستاده صحبت خواهیم کرد.

شما مطمئناً برخی از آلات موسیقی مانند گیتار را می شناسید. امواج ایستاده نقش مهمی در گیتار دارند. به عنوان مثال، هنگامی که یکی از سیم های گیتار کنده می شود، به شکل امواج ایستاده شروع به نوسان می کند (تصویر زیر).

توجه داشته باشید که برخی از نقاط در امواج ایستاده دارای جابجایی صفر هستند که به آنها گره می گوییم. این نقاط با رنگ قرمز در تصویر بالا نشان داده شده اند.

معادله شرودینگر

چگونه امواج ایستاده را به الکترون ها مرتبط کنیم؟ ما الکترون ها را به عنوان امواج ایستاده با انرژی های معین در نظر می گیریم. شرودینگر مدلی برای اتم بر اساس رفتار موجی الکترون ها فرموله کرد. شکل ساده رابطه شرودینگر نوشته شده است:

$$Hpsi = Epsi$$

در رابطه بالا، $$psi$$ برابر تابع موج، H برابر با عملگر همیلتونی، و E برابر با انرژی اتصال الکترون است. جواب معادله شرودینگر تعداد تابع موج است. هر تابع موج مقدار معینی انرژی دارد. تفسیر دقیق تابع موج کار آسانی نیست. بر اساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، تعیین موقعیت و انرژی الکترون به طور همزمان غیرممکن است. شیمیدانان با دانستن انرژی الکترون که برای پیش بینی فعالیت شیمیایی اتم ضروری است، موقعیت الکترون را در نظر می گیرند. اما سوالی که ممکن است مطرح شود این است که شیمیدانان چگونه تقریباً موقعیت الکترون را تعیین می کنند؟

توابع موجی به دست آمده از معادله شرودینگر برای یک اتم خاص را اوربیتال اتمی می نامند. ناحیه ای از اتم که در آن الکترون بیش از 90 درصد مواقع وجود دارد، اوربیتال اتمی نامیده می شود.

اوربیتال ها و چگالی احتمال

مقدار تابع موج $$psi$$ در یک نقطه از فضای $$(x,y,z)$$ متناسب با دامنه موج الکترونیکی در این نقطه است. توجه به این نکته حائز اهمیت است که بسیاری از توابع موج به دست آمده، توابع پیچیده ای هستند و دامنه آنها هیچ اهمیت فیزیکی ندارد.

مربع تابع موج بسیار مهم است. در واقع مربع تابع موج با احتمال یافتن الکترون در حجم معینی در داخل اتم متناسب است. مربع تابع موج، یعنی $$psi^2$$، چگالی احتمال نامیده می شود.

چگالی احتمال الکترونیکی را می توان به روش های مختلفی مشاهده کرد. به عنوان مثال، چگالی احتمال را می توان به عنوان یک نمودار رنگی نشان داد. شدت رنگ برای نشان دادن احتمال نسبی یافتن الکترون در یک منطقه معین از فضا استفاده می شود. هر چه احتمال یافتن الکترون در حجم معینی در داخل اتم بیشتر باشد، چگالی رنگ (شدت رنگ) در این ناحیه بیشتر است. تصویر زیر توزیع احتمال اوربیتال های کروی 1s، 2s و 3s را نشان می دهد.

توجه داشته باشید که اوربیتال های 2s و 3s دارای گره هستند (گره ها را در امواج ایستاده به خاطر بسپارید). وجود گره ها در این اوربیتال ها به این معنی است که احتمال یافتن الکترون در ناحیه ای از فضا صفر خواهد بود. راه دیگر برای تجسم احتمال یافتن الکترون در اوربیتال ها ترسیم چگالی سطح در برابر فاصله تا هسته اتم است.

چگالی سطحی به عنوان احتمال یافتن یک الکترون در یک لایه نازک به شعاع r تعریف می شود. نمودار بالا را نمودار احتمال شعاعی می نامیم.

شکل اوربیتال های اتمی چیست؟

تا اینجا ما در مورد اوربیتال ها صحبت کردیم. شکل این اوربیتال ها کروی است. توجه به این نکته ضروری است که فاصله از هسته، r، عامل اصلی موثر بر توزیع احتمال الکترونیکی است. در مورد سایر اوربیتال ها چطور؟ در اوربیتال های p، d و f، موقعیت زاویه ای الکترون نسبت به هسته یکی دیگر از عوامل مهم در چگالی احتمال است. بنابراین، شکل های مداری بیشتری مانند شکل زیر به دست می آید.

اسپین الکترون | آزمایش اشترن گرلاخ

در سال 1922، دو فیزیکدان آلمانی به نام‌های اتو استرن و والتر گرلاخ فرض کردند که الکترون‌ها مانند میله‌های مغناطیسی کوچک رفتار می‌کنند. هر یک از این الکترون ها دارای قطب های منفی و مثبت هستند. برای آزمایش این نظریه، دو فیزیکدان پرتوی از اتم های نقره را به فضای بین قطب های یک آهنربای دائمی فرستادند. در این آهنربا، قطب شمال قویتر از قطب جنوب بود.

طبق فیزیک کلاسیک، جهت دوقطبی در میدان مغناطیسی خارجی، جهت انحراف پرتو را تعیین می کند. از آنجایی که آهنربای میله ای می تواند طیفی از جهت گیری های مختلف نسبت به میدان مغناطیسی خارجی داشته باشد، انتظار می رفت که اتم ها با مقادیر متفاوتی منحرف شوند. با این حال، استرن و گرلاخ مشاهده کردند که اتم ها بین قطب شمال و جنوب توزیع شده اند.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد که برخلاف میله‌های مغناطیسی معمولی، الکترون‌ها می‌توانند تنها دو جهت ممکن را نشان دهند: در جهت میدان مغناطیسی یا در مقابل آن. این وضعیت با فیزیک کلاسیک قابل توجیه نیست. دانشمندان این ویژگی الکترون را اسپین الکترون می نامند. هر الکترون در جهان یا در حالت اسپین بالا یا اسپین پایین است. گاهی اوقات ما الکترون ها را به صورت فلش های عمودی نشان می دهیم که به سمت بالا یا پایین هستند.

ویژگی های مدل مکانیکی کوانتومی برای اتم در زیر خلاصه می شود:

انرژی الکترون ها کوانتیزه می شود، به این معنی که یک الکترون فقط می تواند مقادیر انرژی خاصی داشته باشد.

انرژی کوانتومی الکترون از حل معادله موج شرودینگر به دست می آید و حاصل مشخصه موجی الکترون است.

بر اساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، موقعیت و تکانه دقیق الکترون را نمی توان همزمان تعیین کرد.

مدار اتمی تابع موج الکترون داخل اتم است. هر بار که یک الکترون با استفاده از یک تابع موج توصیف می شود، یک اوربیتال اتمی را اشغال می کند. یک الکترون می تواند توابع موج زیادی داشته باشد، بنابراین اوربیتال های اتمی زیادی برای یک الکترون وجود دارد. هر تابع موج یا اوربیتال اتمی شکل و انرژی خاصی دارد. تمام اطلاعات لازم در مورد الکترون موجود در اتم در تابع موج مداری ذخیره می شود.

احتمال یافتن الکترون در نقطه ای از اتم با مجذور تابع موج مداری متناسب است.

پیوند بین اتم ها چیست؟

اتم ها یک پیوند شیمیایی برای پایداری بیشتر الکترون های لایه ظرفیتی تشکیل می دهند. یک پیوند شیمیایی پایداری اتم های تشکیل دهنده آن را به حداکثر می رساند. در پیوند یونی، یک اتم یک الکترون را به اتم دیگر می دهد. این پیوند زمانی تشکیل می شود که یک اتم با از دست دادن الکترون از لایه ظرفیت کامل شود و اتم دیگر لایه ظرفیت را پر کند (با به دست آوردن الکترون از اتم مقابل). پیوند یونی معمولاً بین یک فلز و یک نافلز تشکیل می شود.

پیوندهای کووالانسی زمانی تشکیل می شوند که اتم ها الکترون های خود را برای پایداری بیشتر به اشتراک بگذارند.

پیوندها و الکترون های ظرفیت

در اولین لایه الکترونی فقط دو الکترون وجود دارد. یک اتم هیدروژن (با عدد اتمی یک) فقط یک پروتون در هسته و یک الکترون در تنها پوسته خود دارد، بنابراین آن را با پوسته بیرونی اتم دیگر مشترک است. اتم هلیوم (با عدد اتمی 2) دارای دو پروتون در هسته و دو الکترون در لایه ظرفیت است. به همین دلیل، پوسته ظرفیت هلیوم کامل است و این اتم از نظر الکتریکی و شیمیایی خنثی است و تمایلی به تشکیل پیوندهای شیمیایی ندارد.

علاوه بر هلیوم و هیدروژن، از قانون هشت می توان برای تصمیم گیری در مورد اینکه آیا دو اتم به یکدیگر پیوند می خورند و همچنین چند پیوند بین آنها (اگر چنین است) استفاده کرد. اکثر الکترون ها برای تکمیل لایه بیرونی خود به هشت الکترون نیاز دارند. بنابراین، اتمی که دارای دو الکترون ظرفیتی است، با اتمی که برای تکمیل لایه ظرفیت خود به دو الکترون نیاز دارد، پیوند ایجاد می کند.

به عنوان مثال، سدیم دارای یک الکترون تنها در لایه بیرونی خود است. از سوی دیگر، کلر با گرفتن تنها یک الکترون، لایه ظرفیتی خود را کامل می کند. در نتیجه، سدیم به آسانی الکترون را از پوسته بیرونی اهدا می کند و تبدیل به یون سدیم می شود. $Cl^-$$. کلر و یون با هم پیوند یونی تشکیل می دهند و از پیوند آنها نمک خوراکی به وجود می آید.

چرا اتم ها با یکدیگر پیوند ایجاد می کنند؟

با استفاده از جدول تناوبی، می توانید چندین پیش بینی در مورد تشکیل پیوند بین اتم های مختلف و نوع پیوند انجام دهید. در طبقه بندی عناصر جدول تناوبی و در سمت راست جدول تناوبی گروهی از عناصر به نام گازهای نجیب وجود دارد. پوسته ظرفیت اتم های این عناصر (مانند هلیوم، کریپتون و نئون) کامل است. بنابراین، این اتم ها پایدار هستند و با احتمال بسیار کم با اتم های دیگر پیوند ایجاد می کنند.

یکی از بهترین راه‌ها برای پیش‌بینی اینکه آیا اتم‌ها با یکدیگر پیوند تشکیل می‌دهند و تشخیص نوع پیوند، مقایسه الکترونگاتیوی آنها با یکدیگر است. الکترونگاتیوی درجه تمایل یک اتم به جذب الکترون در یک پیوند شیمیایی است. تفاوت زیاد بین الکترونگاتیوی دو اتم نشان می دهد که یک اتم تمایل به از دست دادن الکترون های خود و دیگری تمایل به پذیرش آنها دارد. به طور معمول، این اتم ها با یکدیگر پیوند یونی تشکیل می دهند. این نوع پیوند بین عناصر فلزی و غیرفلزی ایجاد می شود.

با دانستن مقادیر الکترونگاتیوی عناصر مختلف جدول تناوبی و مقایسه آنها با یکدیگر، می توان در مورد امکان ایجاد پیوند بین آنها صحبت کرد. الکترونگاتیوی روندی مشابه جدول تناوبی دارد، بنابراین می‌توانیم بدون توجه به مقدار دقیق آن، پیش‌بینی‌های کلی انجام دهیم. با حرکت از سمت چپ جدول تناوبی به سمت راست، الکترونگاتیوی افزایش می یابد (گازهای نجیب استثنا هستند). با حرکت به سمت پایین یک ستون یا گروه، الکترونگاتیوی کاهش می یابد.

اتم های سمت چپ جدول تناوبی با اتم های سمت راست پیوند یونی تشکیل می دهند. به عنوان مثال، سدیم در سمت چپ جدول تناوبی و کلر در سمت راست قرار دارد، بنابراین این دو اتم با یکدیگر پیوند یونی تشکیل خواهند داد. اتم های وسط جدول در بیشتر موارد پیوندهای فلزی یا کووالانسی با یکدیگر تشکیل می دهند.

اکنون می دانیم اتم چیست و دید واضحی از ساختار اتم داریم. در ادامه به بررسی تاریخچه اتم پرداخته است.

داستان اتم چیست؟

در مطالب بالا به این سوال که اتم چیست به زبان ساده پاسخ داده ایم و در مورد ساختارهای مختلف اتم که در طول سال ها مطرح شده است صحبت کرده ایم. در این قسمت تاریخچه اتم را به اختصار توضیح می دهیم.

دموکریتوس اتم را معرفی کرد

تاریخچه اتم در حدود 450 سال قبل از میلاد آغاز شد. پس از میلاد با فیلسوف یونانی به نام دموکریتوس. این سوال در ذهن دموکریتوس ماندگار شد، اگر یک ماده به قطعات کوچکتر بریده شود چه اتفاقی می افتد؟ او معتقد بود که پس از تقسیم های پی در پی، ماده به جایی می رسد که نمی توان آن را به قطعات کوچکتر تقسیم کرد. او این اجزاء تقسیم ناپذیر را «اتوم» نامید. نام اتم از این اسم گرفته شده است. 100 سال بعد، ارسطو ایده دموکریتوس در مورد اتم را رد کرد. متأسفانه عقاید ارسطو بیش از دو هزار سال است که پذیرفته شده است.

دموکریت

دالتون پرونده اتمی را باز کرد

در حدود سال 1800، دالتون ایده های دموکریتوس در مورد اتم را احیا کرد.

تامسون الکترون ها را به ساختار اتم اضافه کرد

رشته مورد علاقه تامسون برق بود. او آزمایشاتی را در مورد عبور جریان الکتریکی از یک لوله خلاء انجام داد. این آزمایش ها نشان داد که جریان الکتریکی از ذرات با بار منفی تشکیل شده است. اما چرا این کشف مهم بود؟ زیرا اکثر دانشمندان زمان تامسون معتقد بودند که جریان الکتریکی از پرتوها (مانند پرتوهای نور) تشکیل شده است و آن پرتوها دارای بار مثبت هستند نه بار منفی. علاوه بر این، آزمایش‌های تامسون نشان داد که این ذرات باردار شبیه یکدیگر و کوچک‌تر از اتم‌ها هستند. سپس همانطور که گفته شد، تامسون مدل کیک کشمشی را برای ساختار اتم ارائه کرد.

تامسون

رادرفورد هسته را کشف کرد

پس از تامسون، رادرفورد کشف مهم دیگری درباره اتم کرد و به وجود هسته در آن پی برد. او با تاباندن ذرات آلفا بر روی ورقه بسیار نازک طلا و مشاهده مسیر این ذرات پس از برخورد به ورقه، به وجود هسته پی برد. بعدها رادرفورد مدل اتمی کامل تری نسبت به مدل کیک کشمشی پیشنهاد کرد. مدل رادرفورد توانست کاستی های مدل کیک کشمشی را برطرف کند اما این مدل کاستی هایی داشت.

رادرفورد

نیلز بور و تکمیل مدل اتمی رادرفورد

در سال 1910، نیلز بور با مدل اتمی سیاره ای اتم موافقت کرد، اما او می دانست که این مدل ناقص است. او با استفاده از دانش خود از انرژی و فیزیک کوانتومی، مدل رادرفورد را تکمیل کرد. او توضیح داد که چرا الکترون ها روی هسته فرود نمی آیند.

آخرین تئوری مدل اتمی تا به امروز

در سال 1920، اروین شرودینگر مدل اتمی جدیدی را با استفاده از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ پیشنهاد کرد. این مدل نسبت به مدل های قبلی بسیار کاملتر بود.

شکل اتم چیست؟

اکثر کتاب های شیمی تصاویر مختلفی از اتم ها را نشان می دهند. در بیشتر موارد، هسته با یک کره کوچک در مرکز نشان داده می شود که توسط اوربیتال های الکترون احاطه شده است. اوربیتال ها اشکال مختلفی دارند، اما توجه به این نکته مهم است که اوربیتال ها احتمال یافتن یک الکترون در نقطه خاصی از فضا را نشان می دهند و چیزی در مورد شکل اتم نمی گویند. محققان مختلف در سراسر جهان سعی کرده اند نشان دهند که اوربیتال های الکترون ها همان اوربیتال های ارائه شده در کتاب های درسی است.

ایگور میخائیلوفکیج و همکارانش در موسسه فیزیک و فناوری خارکف، الگوهای مداری اتم‌های کربن را با استفاده از یک تکنیک تصویربرداری قدیمی به نام میکروسکوپ گسیل میدانی، تصویربرداری کردند.

محققان زنجیره ای از اتم های کربن ایجاد کردند و آن را از نوک گرافیت آویزان کردند. سپس این مجموعه را در مقابل پرده آشکار قرار دادند. یک میدان الکتریکی هزاران ولتی بین گرافیت و صفحه آشکارساز اعمال شد. هنگامی که میدان اعمال شد، الکترون ها یکی یکی از میان ورقه گرافیت و سپس در امتداد زنجیره کربن حرکت کردند، تا زمانی که میدان الکتریکی آنها را از آخرین اتم در زنجیره دور کرد. با استفاده از مکان‌های الکترون‌ها روی صفحه آشکارساز، ردیابی الکترون‌هایی که اوربیتال‌ها را در آخرین اتم ترک کردند، به دقت ردیابی شدند. اطلاعات بسیاری از الکترون ها جمع آوری و با یکدیگر ترکیب شدند.

سوالات اتمی چیست؟

با توجه به اهمیت مفهوم اتم و درک بهتر مفهوم آن به سوالات زیر پاسخ می دهیم.

مسئله 1

کدام یک از ذرات زیراتمی مدارهای اطراف هسته را اشغال می کنند؟

پروتون ها

نوترون ها

پوزیترون ها

الکترون ها

پاسخ : پاسخ صحیح الکترون گزینه 4 است.

مسئله 2

کدام سه ذره زیر ذرات تشکیل دهنده یک اتم هستند؟

پروتون ها، نوترون ها و فوتون ها

پروتون، نوترون و الکترون

پوزیترون، نوترون و الکترون

پروتون، الکترون و پوزیترون

پاسخ : پاسخ صحیح گزینه 2 است.

مسئله 3

خالق اساسی همه مواد در جهان کیست؟

اتم ها

نوترون ها

هلیوم

پروتئین

پاسخ : پاسخ صحیح گزینه اول یعنی اتم است.

نتیجه

در این مقاله یاد گرفتیم که اتم چیست و به زبان ساده تعریف آن را توضیح دادیم. در ابتدا در مورد ذرات زیر اتمی الکترون، پروتون و نوترون صحبت کردیم. فهمیدیم که بار الکتریکی الکترون منفی، بار الکتریکی پروتون مثبت و بار الکتریکی نوترون خنثی است. به طور کلی تعداد بارهای مثبت و منفی در یک اتم برابر است و اتم ها از نظر الکتریکی خنثی هستند. وقتی یک اتم یک الکترون از دست می دهد، تبدیل به یونی با بار مثبت می شود و وقتی یک الکترون به دست می آورد، تبدیل به یونی با بار منفی می شود.

در ادامه در مورد پنج مدل معروف اتمی صحبت کردیم:

مدل دالتون

مدل تامسون

مدل رادرفورد

مدل بور

مدل مکانیکی کوانتومی اتم

گفتیم که حدود 2500 سال پیش، یک فیلسوف یونانی به نام دموکریتوس ایده اتم را مطرح کرد. ایده او برای حدود 2000 سال مسکوت ماند تا اینکه دالتون ایده دموکرات را مطرح کرد و اولین مدل اتمی را در حدود سال 1800 ارائه داد. او اتم را به عنوان کوچکترین تولیدکننده همه مواد در جهان معرفی کرد.

سال ها بعد، در حین انجام آزمایش های بیشتر، مشخص شد که اتم از ذرات ریزی به نام الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. تامسون با انجام آزمایش لامپ پرتو کاتدی به وجود الکترون ها پی برد. رادرفورد در حین انجام آزمایش ورق طلا به وجود پروتون پی برد.

مهدیه یوسفی (+)

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

مطالب مرتبط

برچسب‌ها